Глава 25. Интегральные микросхемы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Объяснить важность интегральных микросхем.

• Перечислить преимущества и недостатки интегральных микросхем.

• Перечислить основные компоненты интегральной микросхемы.

• Описать четыре процесса, используемых при производстве интегральных микросхем.

• Перечислить основные типы корпусов интегральных микросхем.

• Перечислить семейства интегральных микросхем.

Применение транзисторов и других полупроводниковых устройств, благодаря их малым размерам и незначительному энергопотреблению, позволило существенно уменьшить размеры электронных цепей. В настоящее время стало возможным расширить этот принцип и рассматривать цепи как отдельные компоненты. Целью разработки интегральных микросхем является получение устройства, выполняющего определенную функцию, такую, как например, усиление или переключение, устраняющего разрыв между отдельными компонентами и цепями.

Интегральные микросхемы стали популярными благодаря нескольким факторам:

• Они надежны в сложных цепях.

• Они потребляют малую мощность.

• Они имеют малые размеры и вес.

• Они экономичны в производстве.

• Они предлагают новые и лучшие решения системных задач.

25-1. ВВЕДЕНИЕ В ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема (ИС) — это законченная электронная цепь в корпусе не большем, чем стандартный маломощный транзистор (рис. 25-1).

Рис. 25-1. Корпуса интегральных микросхем.

Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. Интегральные микросхемы производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводниковых устройств.

Наиболее очевидным преимуществом интегральной микросхемы является ее малый размер. Интегральная микросхема состоит из кристалла полупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым размерам интегральные микросхемы находят широкое применение в военных и космических программах. Интегральная микросхема превратила калькулятор из настольного в ручной инструмент. Компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, теперь превратились в портативные модели благодаря интегральным микросхемам.

Вследствие малых размеров, интегральные микросхемы потребляют меньшую мощность и работают с более высокой скоростью, чем стандартные транзисторные цепи. Время перемещения электронов уменьшилось благодаря прямой связи внутренних компонент.

Интегральные микросхемы более надежны чем непосредственно связанные транзисторные цепи. В интегральной микросхеме внутренние компоненты соединены непрерывно. Все компоненты сформированы одновременно, что уменьшает вероятность ошибки. После того как интегральная микросхема сформирована, она проходит предварительное тестирование перед окончательной сборкой.

Производство многих типов интегральных микросхем унифицировано, и это приводит к существенному снижению их стоимости. Производители предлагают полные и стандартные линии микросхем. Интегральные микросхемы специального назначения могут производится и по специальному заказу, но если их количество невелико, это приводит к повышению их стоимости.

Интегральные микросхемы уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает списки деталей и, следовательно, накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного оборудования.

Интегральные микросхемы имеют также и некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях тока и напряжения. Большие токи создают избыточное тепло, повреждающее устройство. Высокие напряжения пробивают изоляцию между различными внутренними компонентами. Большинство интегральных микросхем являются маломощными устройствами, питающимися напряжением от 5 до 15 вольт и потребляющими ток, измеряющийся миллиамперами. Это приводит к потреблению мощности, меньшей чем 1 ватт.

Интегральные микросхемы содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Диоды и транзисторы — самые простые в изготовлении компоненты. Чем больше сопротивление резистора, тем больше он по размерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.

Интегральные микросхемы не ремонтируются. Это обусловлено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема ремонта решается заменой микросхемы, а не заменой отдельных компонент. Преимущество этого «недостатка» состоит в том, что он сильно упрощает эксплуатацию систем высокой сложности и уменьшает время, необходимое персоналу для сервисного обслуживания оборудования.

Если все факторы собрать вместе, то преимущества перевесят недостатки. Интегральные микросхемы уменьшают размеры, вес и стоимость электронного оборудования, одновременно увеличивая его надежность. По мере усложнения микросхем, они стали способны выполнять более широкий круг операций.

25-1. Вопросы

1. Дайте определение интегральной микросхемы.

2. В чем преимущества интегральных микросхем?

3. В чем недостатки интегральных микросхем?

4. Какие компоненты могут быть включены в интегральные микросхемы?

5. В чем состоит процедура ремонта неисправной интегральной микросхемы?

25-2. ПРОИЗВОДСТВО ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Интегральные микросхемы классифицируются согласно способу их изготовления. Наиболее широко используются следующие способы изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный.

Монолитные интегральные микросхемы изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнительных шагов (рис. 25-2).

Рис. 25-2. Монолитный метод изготовления микросхем.

Рис. 25-2. Продолжение.

Изготовление интегральной микросхемы начинается с круглой кремниевой пластины, диаметром 8-10 сантиметров и около 0,25 миллиметра толщиной. Она служит основой (подложкой), на которой формируется интегральная микросхема. На одной подложке одновременно формируется много интегральных микросхем, до нескольких сотен, в зависимости от размера подложки. Обычно на подложке все микросхемы одинакового размера и типа и содержат одинаковое количество и одинаковые типы компонент.

После изготовления интегральные микросхемы тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разрезается на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну интегральную микросхему, содержащую все компоненты и соединения между ними. Каждый чип, который проходит тест контроля качества, монтируется в корпус. Несмотря на то, что одновременно изготовляется большое количество интегральных микросхем, далеко не все из них оказываются пригодными для использования.

Эффективность производства характеризуют таким параметром как выход. Выход — это максимальное число пригодных интегральных микросхем по сравнению с полным числом изготовленных.

Тонкопленочные интегральные микросхемы формируются на поверхности изолирующей подложки из стекла или керамики, обычно размером около 5 квадратных сантиметров. Компоненты (резисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наносимых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов.

Диоды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесением тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 миллиметра. Величина резистора определяется длиной, шириной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металлов с низким сопротивлением, таких как золото, платина или алюминий. С помощью этого процесса можно создать резистор с точностью ±0,1 %.

Возможно также получить отношение резисторов с точностью ±0,01 %. Такие точные отношения важны для правильной работы некоторых цепей.

Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на подложку.

После этого на металл наносится слой окисла, образующего диэлектрическую прокладку конденсатора. Она формируется обычно такими изолирующими материалами, как окись тантала, окись кремния или окись алюминия. Верхняя часть конденсатора создается из золота, тантала или платины, нанесенных на диэлектрик. Полученное значение емкости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.

Чипы диодов и транзисторов формируются с помощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединяются с тонкопленочной цепью с помощью очень тонких проводников.

Материалы, используемые для компонентов и провод- ников, наносятся на подложку методом испарения в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предварительно нагретой подложки, помещенной в вакуум. После этого пары конденсируются на подложке, образуя тонкую пленку.

Процесс напыления происходит в газонаполненной камере при высоком напряжении. Высокое напряжение ионизирует газ, и материал, который должен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, которые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаждения пленки нужной формы и в нужном месте используется маска. Другой метод состоит в покрытии всей подложки полностью и вырезания или вытравливания ненужных участков.

При толстопленочном методе резисторы, конденсаторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой размещается экран из тонкой проволоки и металлизированные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила после этого нагреваются до температуры свыше 600 градусов Цельсия для затвердевания чернил.

Толстопленочные конденсаторы имеют небольшие значения емкости (порядка пикофарад). В тех случаях, когда требуются более высокие значения емкости, используются дискретные конденсаторы. Толстопленочные компоненты имеют толщину 0,025 миллиметра. Толстопленочные компоненты похожи на соответствующие дискретные компоненты.

Гибридные интегральные микросхемы формируются с использованием монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, применяя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные компоненты употребляются потому, что они могут работать при относительно высокой мощности.

Если изготовляется небольшое количество микросхем, то дешевле использовать гибридный метод формирования. При гибридном процессе основные расходы приходятся на соединение и сборку компонентов и упаковку устройства в корпус. Так как гибридные микросхемы используют дискретные компоненты, они больше и тяжелее, чем монолитные интегральные микросхемы. Использование дискретных компонентов делает гибридные микросхемы менее надежными, чем монолитные.

25-2. Вопросы

1. Какие методы используются для изготовления интегральных микросхем?

2. Опишите процесс изготовления монолитных микросхем.

3. В чем различие между тонкопленочным и толстопленочным методами изготовления микросхем?

4. Как изготавливают гибридные микросхемы?

5. Что определяет выбор процесса, который будет использован при изготовлении интегральной микросхемы?

25-3. КОРПУСА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Интегральные микросхемы упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухрядным расположением выводов (DIP). Он производится нескольких размеров для того, чтобы соответствовать различным размерам интегральных микросхем: микросхемам малой степени интеграции (SSI), микросхемам средней степени интеграции (MSI), микросхемам большой степени интеграции (LSI или БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (VLSI или СБИС) (рис. 25-3).

Рис. 25-3. Семейства интегральных микросхем.

Корпуса изготовляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и более пригодны для применения при рабочей температуре от 0 до 70 градусов Цельсия. Микросхемы в керамических корпусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Они, кроме того, работают в более широком диапазоне температур (от -55 до +125 градусов Цельсия). Микросхемы в керамических корпусах рекомендуются для использования в военной и аэрокосмической технике, а также в некоторых отраслях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP используется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются, главным образом, монолитные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше чем корпуса типа DIP и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из металла или керамики и работают в диапазоне температур от -55 до +125 градусов Цельсия.

После того как интегральная микросхема заключена в корпус, она тестируется для проверки ее соответствия всем требуемым параметрам. Тестирование проводится в широком диапазоне температур.

25-3. Вопросы

1. Каково назначение корпусов интегральных микросхем?

2. Какие корпуса чаще всего используются для интегральных микросхем?

3. Какие материалы используются для корпусов интегральных микросхем?

4. В чем преимущества керамических корпусов?

5. В чем преимущество плоских корпусов интегральных микросхем?

РЕЗЮМЕ

• Интегральные микросхемы популярны, потому что они:

— более надежны в качестве сложных цепей;

— потребляют маленькую мощность;

— являются миниатюрными и легкими;

— экономичны при изготовлении;

— обеспечивают новые и лучшие решения проблем.

• Интегральные микросхемы не могут работать при больших значениях токов и напряжений.

• Элементами интегральных микросхем могут быть только диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы.

• Интегральные микросхемы нельзя отремонтировать, их можно только заменить.

• Для изготовления интегральных микросхем используются монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный способы изготовления.

• Наиболее популярным корпусом интегральных микросхем является корпус типа DIP (с двухрядным расположением выводов)

• Корпуса интегральных микросхем изготовляются из керамики или пластмассы, но пластмассовые корпуса используются чаще.

Глава 25. САМОПРОВЕРКА

1. Какие компоненты содержат гибридные интегральные микросхемы?

2. Что обозначается словом «чип»?

3. Какие существуют проблемы при изготовлении резисторов и конденсаторов при производстве интегральных микросхем монолитным методом?